UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA...

UNIVERSIDAD DE CARABOBO

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE MECÁNICA

CARACTERIZACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA DE

COMPONENTES DEL ACERO PARA PRETENSADO CON DIFERENTES

COMPORTAMIENTOS DE RELAJACIÓN MEDIANTE MICROSCOPÍA

ELECTRÓNICA DE TRANSMISIÓN (MET).

Cuesta Moreno, Juan

Herrera Fergusson, Mónica

Valencia, Octubre 2007




CARACTERIZACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA DE

COMPONENTES DEL ACERO PARA PRETENSADO CON DIFERENTES

COMPORTAMIENTOS DE RELAJACIÓN MEDIANTE MICROSCOPÍA

ELECTRÓNICA DE TRANSMISIÓN (MET).

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE

UNIVERSIDAD DE CARABOBO PARA OPTAR POR EL TITULO DE

INGENIERO MECÁNICO.

Cuesta Moreno, Juan

Herrera Fergusson, Mónica

Valencia, Octubre 2007




CERTIFICADO DE APROBACIÓN

Los abajo firmantes, miembros del jurado, designado para evaluar el Trabajo

Especial de grado titulado “CARACTERIZACIÓN DE LA

MICROESTRUCTURA DE COMPONENTES DEL ACERO PARA

PRETENSADO CON DIFERENTES COMPORTAMIENTOS DE

RELAJACIÓN MEDIANTE MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE

TRANSMISIÓN (MET).”, realizado por los bachilleres: Juan Cuesta y Mónica

Herrera, cedula de identidad: 16.407.996 y 15.745.684, respectivamente, hacemos

constar que hemos revisado y aprobado dicho trabajo.

Ing. Sandra Cabello

Tutor

Ing. Laura Sáenz Ing. Eleazar Díaz

Jurado Jurado

Valencia, Octubre de 2007

Caracterización de la microestructura de componentes del acero para pretensado con diferentes comportamientos de relajación mediante microscopía electrónica de transmisión (MET).

A DIOS

A MI MAMA

A MIS HERMANAS

JUANCHO

IV


A DIOS

A MIS PADRES

A MI HERMANO

A PILY, PACO Y MINO

MÓNICA

V


AGRADECIMIENTOS

A nuestras familias y amigos, que nos apoyaron siempre, y a aquellos que nos

acogieron fuera y compartieron momentos que nos hicieron sentir como en casa.

A nuestra tutora, Ing. Sandra Cabello, por su tiempo invertido en nosotros, por

su apoyo y simpatía que sin duda ayudaron a materializar este trabajo especial de

grado.

A la Dra. Gema González por su paciencia, dedicación y apoyo, y por darnos

la oportunidad de trabajar junto a ella. A los miembros del departamento de

Ingeniería III, del IVIC y en especial a Lisbeth y Antonio por su excelente trato y por

estar siempre dispuestos a ayudarnos y guiarnos en este trabajo.

VI


RESUMEN

El objetivo principal de este trabajo de investigación es el de caracterizar la

microestructura de componentes del acero 1080 utilizado para concreto pretensado,

con diferentes comportamientos de relajación, mediante la técnica de microscopía

electrónica de transmisión (MET). Para llevar a cabo este trabajo fue necesaria la

preparación de foils, nombre que reciben los especimenes que fueron estudiados

mediante la técnica de microscopía electrónica de transmisión (MET), a partir de una

población de 40 muestras (20 muestras de relajación baja y 20 muestras de relajación

normal) de 4 mm de espesor, luego estos discos fueron desbastados y pulidos,

mediante las técnicas pertinentes, hasta llegar a una altura comprendida entre 100 y

50 micras. Después se les realizo el electropulido, técnica mediante la cual se le abre

un agujero al foil con la ayuda de un electrolito especial para el tipo de material a

atacar (en nuestro caso un acero perlítico), dicho orificio es fundamental para este

tipo de estudio.Inmediatamente de haber obtenido los foils, se realizó el estudio

microscópico, enfocando las partes de interés de la matriz con distintos tipos de

acercamiento y se obtuvieron las fotografías que se analizaron; gracias a estas

ampliaciones se pueden observar de mejor maneras detalles importantes que se

tomaron en cuenta a la hora de concluir.Las principales diferencias encontradas en los

resultados obtenidos fueron la distribución de las láminas de ferrita y el espesor de las

mismas, siendo de más gruesas para las muestras de relajación normal y de una

distribución más uniforme para las de relajación baja; dichas discrepancias están

íntimamente relacionadas a el proceso de trefilado a que es sometido el alambre

durante su proceso de conformación.

VII


GLOSARIO

Alúmina: Es el óxido de aluminio (Al2O3).

Catéter de Jelco: Es un dispositivo que puede ser introducido dentro de un tejido o

vena.

Cristalografía: Ciencia que se dedica al estudio y resolución de estructuras

cristalinas.

Electrolito: Es una sustancia que al disolverse en agua, da lugar a la formación de

iones y que permiten que la energía eléctrica pase a través de ellos.

Electropulido. Es un tratamiento superficial que pule el material.

Foils: Se le llama comúnmente a las muestras o probetas que tienen un espesor de 10

a 50 micras.

MET: Microscopio Electrónico de transmisión

Multi-plug: Es un enchufe que transmite diferentes señales a la vez.

Paños de pulido: Son una especie de tela producida especialmente para pulir piezas

de metal, las cuales se instalan sobre el disco de pulido.

Precipitados: Es la forma microscópica en que se solidifica un material luego de ser

expuesto a altas temperaturas.

Probetas Volumétricas: Son aquellas probetas que tienen volumen significativo.

Tocho: Se le llama vulgarmente a un cilindro de metal.

Torón: Cordones de siete alambres descubiertos y liberados de esfuerzos usados en

elementos estructurales pre y postensados

VIII

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%93xido

http://es.wikipedia.org/wiki/Aluminio

http://es.wikipedia.org/wiki/Tejido_%28biolog%C3%ADa%29

http://es.wikipedia.org/wiki/Vena


INDICE GENERAL

DEDICATORIAS …………………………………………..………..……….. IV

AGRADECIMIENTOS ……………………….……………..……….…….… VI

RESUMEN ………………………………...…………………………………. VII

GLOSARIO ……………………………………………………………….…. VIII

INDICE DE FIGURAS ……………………………………………….……... XII

INDICE DE TABLAS …………………………………………………..…… XVI

INTRODUCCION ……………………………………………………………… 1

CAPITULO I “EL PROBLEMA” ……………………………………………… 3

1.1 TITULO DEL TRABAJO ………………………………………….. 4

1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA …………………………... 4

1.3 OBJETIVOS ………………………………………………………... 6

1.3.1 Objetivo General ………………………………………... 6

1.3.2 Objetivos Específicos ………………………………….... 6

1.4 JUSTIFICACIÓN …………………………………………………... 7

1.5 LIMITACIONES ………………………………………………….... 8

1.6 DELIMITACIONES ………………………………………………... 8

1.7 ANTECEDENTES ……………………………….…………...…….. 9

CAPITULO II “MARCO TEÓRICO” ……………………….…………………. 13

IX


2.1 TORONES DE SIETE HILOS ………………….…………………... 14

2.1.1 Proceso de fabricación de alambres …………………….. . 15

2.1.1.1 Materia Prima …………………………………..... 15

2.1.1.2 Proceso de trefilado y conformación del torón …... 17

2.1.2 Tratamiento del torón conformado ……………………..... 19

2.2 APLICACIONES EN LA INGENIERÍA ………………………..….. 22

2.2.1 El concreto …………………………………………..….... 23

2.3 RELAJACIÓN DE ESFUERZOS …………………………….…….. 25

2.4 LA MICROESTRUCTURA ………………………………….……... 28

2.5 MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA ………………………….……… 32

CAPITULO III “MARCO METODOLÓGICO” ……………………………….. 46

3.1. NIVEL DE LA INVESTIGACIÓN ………………………..……….

47

3.2. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ……………………..………...

47

3.2.1. Preparación de “foils” .………………………………….... 49

3.2.2. Microscopía Electrónica de Transmisión……………….…. 53

3.2.3. Medición de Fotografía …………………………………... 53

3.3. MATERIAL ULTILIZADO …………………………………….......

54

3.4. MATERIALES Y EQUIPOS …………………………………….…

57

CAPITULO IV “RESULTADOS EXPERIMENTALES” ………………….….. 63

4.1. FOTOGRAFÍAS DE LA MICROESTRUCTURA EN CAMPO

X


CLARO ……………………………………………………..…..…. 64

4.2. PROMEDIO DE LAS MEDIDAS DE LAS LÁMINAS DE FERRITA

Y CEMENTITA ………………………………………………..…… 68

4.3. PATRONES DE DIFRACCIÓN DE ELECTRONES …….…….. 71

4.4. MEDICION DE LAS DISTANCIAS ENTRE LOS ANILLOS ... 72

CAPITULO V “ANÁLISIS DE RESULTADOS” ….…………………………... 74

5.1. ANÁLISIS DE MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE

TRANSMISIÓN (MET) ………………………………………… 75

5.2. ANÁLISIS DE PATRONES DE DIFRACCIÓN ………….…..... 77

CAPITULO VI “CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES” ……….…….. 78

6.1. CONCLUSIONES …………………..…………....…………….. 79

6.2. RECOMENDACIONES ……………..………..………………... 81

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ………………………………………….. 82

APÉNDICE ……………………………………………………………………… 84

XI


INDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 Torones de Siete Hilos ………………………………………………. 14

Figura 2.2 Relajación vs. Tiempo …………………………………………...…... 25

Figura 2.3 Transformación de un acero Eutectoide (1080) en condiciones de

enfriamiento lento ………………………………………………………….…….. 28

Figura 2.4 Microestructura de: Perlita, Bainita, Esferoidita y Martensita ……… 30

Figura 2.5 Microestructura del acero antes y después del trefilado ……….....… 31

Figura 2.6 Comparación del proceso de imagen entre un microscopio óptico y un

microscopio electrónico de transmisión ……………………………….………... 33

Figura 2.7 Tipos de señales que se producen durante la interaccion del haz electrónico

con la muestra ………………………………………………………………...…. 36

Figura 2.8 Trayectoria seguida por los electrones para formar una imagen (i) y un

patrón de difracción (ii) …………………………………………………….…… 37

Figura 2.9 Patrón de difracción electrónico …………………………………….... 37

Figura 2.10 Patrón de difracción de anillos proveniente de una muestra

policristalina …………………………………………………………………….. 39

Figura 2.11 Representación esquemática de los parámetros involucrados en la

deducción de la constante de cámara ……………………………………………. 40

Figura 2.12 Tres Posibles fuentes de poder para el método de electropulido …... 44

Figura 3.1 Diseño de la investigación …………………………………………… 48

XII


Figura 3.2 Corte de la probeta con disco abrasivo …………………………...….. 49

Figura 3.3 Procedimiento para el adelgazamiento con lijas…………………..…... 50

Figura 3.4 Obtención del “foil”………………………………………………...…. 50

Figura 3.5 Procedimiento para el pulido ……………………………………….... 51

Figura 3.6 Procedimiento para el electrolito …………………………………..... 53

Figura 3.7 Microscopía óptica de acero 1080 A. de baja relajación B. de relajación

normal …………………...……………………………………………….……… 54

Figura 3.8 Microscopía electrónica de barrido de acero 1080 de A. de baja relajación

B. de relajación normal …………………………….…………………….…...... 55

Figura 3.9 Microscopía electrónica de barrido de acero 1080 de A. de baja relajación

B. de relajación normal ……………………………...………………………….... 55

Figura 3.10 Ensayo de relajación para un acero 1080 de baja relajación y relajación

normal ………….………………………………………………………….…….. 57

Figura 3.11 Microscopio óptico …………………………………..……….…….. 57

Figura 3.12 Materiales para el adelgazamiento con lijas ……………..….……… 58

Figura 3.13 Materiales para pulido …………………….…………………..……. 58

Figura 3.14 Materiales para el cambio de lado de la muestra………………..….... 59

Figura 3.15 Banco de pulido ………………………………….…………...…….. 59

Figura 3.16 Troquel ……………………………………………………...…….... 60

Figura 3.17 Máquina de electropulido ………………………………..….……… 60

Figura 3.18 Nitrógeno líquido ……………………………………….……..…… 61

Figura 3.19 Lupa con escala ………………………………………….…………. 61

XIII


Figura 3.20 Microscopio Electrónico de Transmisión ……….…………...…….. 62

Figura 4.1 Micrografía en campo claro de un acero 1080 con propiedad de relajación

normal a 11570X …………………………………………………………….….. 64


baja a 11570X ……………………………………………………………..…….. 64


normal a 25810X ………………………………………………………..……..... 65


baja a 25810X ……………………………………………………..….…………. 65


normal a 85500X ……………..………………………………………………….. 66


baja a 85500X ……………………….....…………………………………….….. 66


normal a 85500X ……………………………………………………….……...... 67


normal a 85500X ………………………………………………………..………. 67


baja a 85500X ……………………………………………………………..…….. 67

Figura 4.10 Patrón de difracción de electrones para muestra de acero 1080 con baja

relajación …………..…………………………………………………………….. 71

XIV


Figura 4.11 Patrón de difracción de electrones para muestra de acero 1080 relajación

normal …………………………………………………………………………… 71

XV


INDICE DE TABLAS

Tabla 3.1 Condiciones del electrolito utilizado …………………………………. 52

Tabla 3.2 Composición química del acero 1080 para las propiedades de relajación

baja y normal .……………………………………………………….………….... 56

Tabla 3.3 Propiedades mecánicas del acero 1080 …..….……………...………... 56

Tabla 4.1 Promedio de espesores de las láminas de ferita y cementita para la

fotografía #4.5 …………….…………………………………………………….. 68


fotografía #4.6 ………………………………………………………………….. 68


fotografía #4.7 ...……………………..………………………………………….. 69


fotografía #4.8 ………………………………………………………………….. 69


fotografía #4.9 …………….…………………………………………………….. 70


fotografías 4.6 y 4.9 …………………………………………………………..….. 70


fotografías 4.5,4.7 y 4.8 ………………………………………………………..... 73

XVI


Tabla 4.8 Distancia entre anillos y distancias interplanares para el acero 1080 A. de

baja relajación, B. de relajación normal ……………………………………..….. 72

Tabla 4.9 Comparación de las distancias interplanares de los aceros 1080 de

relajación baja y normal con los patrones de referencia de ferrita y cementita ..... 73

de ferrita y cementita ..... 73

XVII

Caracterización de la microestructura de componentes del acero para pretensado con diferentes 1 comportamientos de relajación mediante microscopía electrónica de transmisión (MET).

INTRODUCCIÓN

Como es del conocimiento general uno de los materiales más utilizados para

el levantamiento de estructuras es el concreto, este sirve para la construcción de

puentes, estacionamientos, viaductos, escuelas, entre otros usos; éste a su vez se

puede presentar de varias formas como pretensado y postensado. Dada la importancia

de este material estructural se deben estudiar sus características, tales como:

resistencia a la fatiga, tracción, compresión, torsión y flexión, además de su

comportamiento en el tiempo, el cual se denomina relajación.

El fenómeno de relajación es una propiedad mecánica que se refiere al

decrecimiento progresivo en esfuerzo de un sólido a través del tiempo, sujeto a una de

deformación inicial.

Esta propiedad se determina principalmente a partir de ensayos de tensión a

temperatura constante, donde la longitud de la muestra se mantiene constante y se

registra el decrecimiento del esfuerzo con el tiempo.

Mediante el ensayo de relajación se obtienen los resultados esperados pero al

cabo de 1000 horas de ensayo, es decir 6 semanas aproximadamente, lo que se

convierte en una pérdida de tiempo y dinero para las industrias interesadas, es por ello

que se busca relacionar la microestructura con el fenómeno de relajación, de manera

que con tan solo observar una fotografía de la microestructura del material se pueda


conocer a que tipo de relajación se refiere, con lo que solo se necesitaría el tiempo

que lleva la preparación de la muestra para obtener los resultados esperados.

Para poder estudiar un material de una manera más íntima es necesario

analizar su microestructura, para así observar de que manera está distribuida y las

fases que están presentas en ella; para ello se requiere del microscopio electrónico de

transmisión donde se utiliza la longitud de onda de electrones para obtener imágenes,

por lo que es mucho más eficiente que el microscopio óptico que utliza la longitud de

onda de la luz, la cual es mucho más grande que la de los electrones, e incluso más

eficiente que el microscopio de barrido donde solo se puede estudiar la superficie de

la muestra, es por esto que el MET está en capacidad de mostrar con más profundidad

y detalle la microestructura del material a estudiar.

La caracterización y el estudio microestructural de los torones mediante la

técnica de microscopía electrónica de transmisión (MET), es el propósito de este

trabajo de investigación, con la finalidad de buscar relaciones y comparar las

características, cuando se estudian torones de baja y relajación normal, puesto que

estos presentan grandes diferencias en cuanto al tiempo de vida útil de la estructura

realizada.


CAPITULO I “El Problema”


1.1 Titulo del Trabajo

Caracterización de la microestructura de componentes del acero para

pretensado con diferentes comportamientos de relajación mediante microscopía

electrónica de transmisión (MET).

1.2 Planteamiento del Problema

Para las estructuras de concreto pre-tensado se utilizan cables de acero los

cuales son generalmente de alto contenido de carbono, uno de los usados es el SAE

1080. Estos cables están conformados por hilos satélites que rodean al núcleo. Los

cables de acero de siete hilos usados para estas estructuras, donde la tensión del

refuerzo se realiza antes de colocar el concreto, se denominan torones, los cuales

gracias a las propiedades mecánicas del acero presentan buena resistencia a la

tracción lo que se une a la buena resistencia a la compresión que da el concreto.

Luego de que la estructura está totalmente conformada queda expuesta al

factor tiempo, lo que influye negativamente en la vida útil de la misma, ya que en este

caso el torón sufre un fenómeno llamado relajación, donde el acero sufre la pérdida

de la tensión en función del tiempo, cuando el torón es tensado a una carga inicial, en

un porcentaje preestablecido de la carga nominal de rotura y manteniendo constante

la longitud del torón, con lo que la estructura irá perdiendo paulatinamente su

eficiencia. Existen aceros de baja relajación y de relajación normal que se utilizan

para el concreto pre tensado, siendo mejor el de baja relajación ya que con éste se


evitan pérdidas excesivas de la tensión inicial. La norma ASTM Nº A886/A886M-

99, clasifica a los torones de baja relajación como aquellos cuyo % de relajación es

menor o igual a 3.5%, cuando ese porcentaje está entre 3.5 y 7 se denominan de

relajación normal (1).

Buscando algunas causas que expliquen la diferencia entre estos aceros se han

encontrado estudios (2) donde atribuyen a la microestructura del alambre trefilado una

gran influencia sobre el fenómeno de relajación y se ha observado que los alambres

trefilados muestran una orientación preferente de fibras en su textura, producidas

como consecuencia de la gran reducción de área a la cual es sometido el material

durante su manufactura, especialmente cuando no se aplican tratamientos intermedios

de recocido. También se ha descubierto la presencia de microgrietas orientadas hacia

el centro de alambre. Los torones de baja relajación muestran una menor proporción

de grietas comparados con los de alta relajación, cabe destacar que el atribuir a estas

microgrietas las diferencias en cuanto al comportamiento de relajación de los aceros

no ha sido corroborado en posteriores investigaciones, de allí la importancia de

estudiar de una manera más minuciosa la microestructura de los aceros de alta y

normal relajación.

Mediante la microscopía electrónica de transmisión (MET) (3), en la cual se

irradia una muestra delgada con un haz de electrones de densidad de corriente

uniforme, cuya energía está dentro del rango de 100 a 200 kV, parte de esos

electrones son transmitidos, otra parte son dispersados y otra parte da lugar a

interacciones que producen distintos fenómenos como emisión de luz, electrones

secundarios y Auger, rayos X, etc. Todas estas señales se pueden emplear para

obtener información sobre la naturaleza de la muestra (morfología, composición,

estructura cristalina, estructura electrónica, densidad de dislocación, etc.).


El trabajo abarcará el estudio microscópico mediante microscopía electrónica

de transmisión (MET) del alambre central (núcleo) que conforma el torón en busca de

diferencias en la microestructura que pueden correlacionarse con el comportamiento

de relajación.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo General

Caracterizar la microestructura de componentes del acero para pretensado con

diferentes comportamientos de relajación mediante microscopía electrónica de

transmisión (MET).

1.3.2 Objetivos Específicos

Preparar los “Foils” de las distintas condiciones a ensayar:

Relajación Baja

Relajación Normal

Determinar las condiciones del electrolito para el electropulido de los

“Foils”.


Comparar las microestructuras observadas de las distintas condiciones.

Determinar si existe alguna correlación entre las condiciones estudiadas.

1.4 JUSTIFICACIÓN

En vista de que cada vez el mercado tanto internacional como nacional se ha

vuelto más exigente en materia de calidad y precios, las empresas se han visto en la

necesidad de buscar nuevas opciones para mejorar la calidad de sus productos sin que

afecten considerablemente el precio de éstos. Tal es el caso de las industrias

fabricantes de alambres para el concreto pretensado, las cuales necesitan bajar el nivel

de relajación de sus productos para así asegurar que en el tensado inicial del

componente no ocurran pérdidas importantes de precarga.

Esta investigación servirá de gran base para aquellas empresas que quieran

mejorar la calidad de sus productos mediante procesos que afecten la propiedad de

relajación en los alambres pretensados, aportando igualmente una plataforma para

futuras investigaciones con el deseo de mejorar la producción de la industria

metalúrgica.


1.5 LIMITACIONES

Las sesiones de microscopia electrónica serán realizadas en el Instituto

Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC, San Antonio de los Altos) ya que

en la Universidad de Carabobo no se cuenta con el equipo necesario para realizar

dichas sesiones.

El equipo de electropulido se encuentra ubicado en el Instituto Venezolano de

Investigaciones Científicas (IVIC, San Antonio de los Altos) por lo cual será

necesario viajar con frecuencia.

Los “Foils” a preparar tendrán un espesor muy delgado (10 micras como

mínimo), a pesar de que las características del material no tengan las mejores

condiciones por ser un acero de alta densidad, con alto porcentaje de carbono lo cual

implica una alta dureza; todo esto trae como consecuencia una gran dedicación de

tiempo para adelgazar el espesor final.

1.6 DELIMITACIONES

Para el estudio sólo se utilizará alambre empleado en concreto pretensado (Acero

AISI 1080) en dos condiciones: relajación normal y baja relajación.


1.7 ANTECENDENTES

Adalet Zeren & Muzaffer Zeren (2001) “Propiedades de relajación de esfuerzos en

alambres de acero para pre-tensado” Revista tecnología del procesamiento de los

materiales, 141, 86–92.

En este estudio, la propiedad de relajación de esfuerzos se ha estudiado de

forma general. Se realizaron experimentos en alambres de acero al carbono con un

diámetro de 8 mm el cual es usado como compuesto del pre-tensado de concreto.

También se llevó a cabo tratamientos termomecánicos con el fin de relevar las

tensiones residuales acumuladas después del trabajo en frío. La temperatura del

tratamiento térmico y la relación de deformación, los cuales son parámetros de

tratamientos termomecánicos, fueron cambiadas. Los experimentos de los

tratamientos termomecánicos fueron separados en dos grupos. El primero mantuvo

constante en un 40% la relación de deformación mientras se variaba la temperatura

del tratamiento térmico. El segundo a una temperatura constante de 350 ° C y se

cambió las relaciones de estiramiento. Las condiciones óptimas del tratamiento

termomecánico fueron determinadas cambiando tanto la temperatura del tratamiento

térmico como la proporción de extensión y observando el efecto de estos cambios de

esfuerzo de tracción y el comportamiento de la relajación de tensiones de los

alambres de acero estirados en frío. En este estudio los resultados de los experimentos

de relajación se enfatizan con formulas empíricas ya que no es posible realizar

experimentos de relajación de tensiones de 1000 horas de duración, porque las

condiciones generales de los laboratorios no son convenientes para permitir este

período de tiempo.


R. Urbaéz, F. Toledo, G. Castro Farinas and E.S. Puchi Cabrera (2000)

“Comportamiento de relajación de los componentes del acero perlítico en alambres

estirados”. Universidad Central de Venezuela, Caracas

En este estudio se investigó el comportamiento de relajación en la temperatura

ambiente de cables de acero perlítico de siete hilos, empleado para el concreto

pretensado. Se determinó que el cambio de la tensión con el tiempo puede ser descrito

satisfactoriamente mediante las ecuaciones mecánicas de estado sobre la base de las

leyes potencial y exponencial de fluencia lenta. Al contrario, se encontró que la

relación empírica por lo general empleada en la ingeniería civil para estimar que la

relajación del hilo predice una sobre valoración en la disminución de la tensión con el

tiempo. El análisis microestructural de los torones que componen los hilos reveló la

presencia de microgrietas orientadas a lo largo del eje de los alambres. Tales grietas

tienden a formarse principalmente en el centro del alambre y se observó que la

fracción de área de tales defectos es considerablemente más alta en los hilos de

relajación normal que en los hilos el baja relajación. Se concluyó que el

comportamiento de relajación de torones de siete hilos es sumamente dependiente de

la morfología y la fracción de área ocupada por las microgrietas que están presentes a

lo largo de la sección de los alambres que componen lo componen.


Michael W. Woodmansee, Richard W. Neu (2002) “La influencia de la deformación

previa en la tensión de relajación en aleaciones soldadas” Revista materiales,

ciencia e Ingeniería, 322, 79–88

Se investigó la dependencia de historia de deformación previa del

comportamiento de relajación de tensión de 60Sn-40Pb, 96Sn-4Ag, y 96.2sn-2.5ag-

0.8Cu-0.5Sb. En nuevos experimentos, la relajación de tensión fue medida

inmediatamente después de tres valores de tasa de deformación diferentes: 10-3, 10-4,

y 10-5 s-1. Estas pruebas revelaron el resultado inesperado; que los diferentes

experimentos de deformación previos realizados afectan el comportamiento de

relajación observado, tal que mayores valores de tasas de deformación durante la

deformación previa, causan una mayor relajación de tensión total, así como la tensión

de relajación más baja.


Atienza, J. M & Elices, M “Influencia de los esfuerzos residuales en la relajación de

esfuerzos de alambres trefilados en frío”. Revista Materiales y Estructuras, 37, 301-

304.

Este estudio demuestra la influencia de la tensión residual en alambres de

acero sobre las pérdidas de relajación de los esfuerzos. La prueba de relajación de

esfuerzo estándar fue realizada sobre cuatro tipos de alambres, todas con las

mismas propiedades mecánicas, pero con diferentes esfuerzos residuales. El

esfuerzo residual de la superficie fue medida por difracción con rayos X. Los

resultados experimentales muestran que la pérdida de relajación de esfuerzos

disminuye así como también el valor de lo esfuerzos residuales en la superficie. El

papel, a veces controversial, del pretensado inicial y los tratamientos térmicos en

pérdidas de relajación de tensión también puede ser conocido a simple vista como

la tensión residual inducida durante el estirado en frío


CAPITULO II “Marco Teórico”


2.1 TORONES DE SIETE HILOS

Los torones de acero son cordones de siete alambres descubiertos y liberados

de esfuerzos usados en elementos estructurales pre y postensados. En la disposición

de dichos alambres (figura 1) puede notarse que seis de ellos, denominados satélites

están enrollados helicoidalmente sobre uno central conocido como alma o núcleo.

Figura 2.1 Torones de Siete Hilos.

La norma Covenin 1024’79 indica que el diámetro del núcleo del cordón será

por lo menos 2 por ciento mayor a los satélites y con un paso enrollado de doce a

dieciséis veces del diámetro nominal del cordón, con la finalidad de conseguir un

contacto más estrecho entre los alambres.(4)


2.1 .1 Proceso de fabricación de alambrones

2.1.1.1 Materia prima

Se fabrican de alambres trefilados a partir de alambrones de acero AISI 1080.

A partir de una colada con la siguiente composición (C: 0.78 – 0.83 %; Mn:

0.5 – 0.7 %; Si: 0.15 – 0.3 %; P y S (máx.): 0.035 %) en moldes (lingoteras)

preparados para esta finalidad, se obtienen lingotes cuyas formas son idénticas a la

del molde que le dio origen, es decir, rectangulares, poligonales, troncos de pirámide

de base cuadrada, con la idea de facilitar el desmoldeado y evitar la aparición de

defectos tales como: rechupes, porosidades, grietas, entre otras.

Los grandes lingotes son calentados a 1000 ºC antes de ser introducidos a los

laminadores desbastadores tipo “blooming” para su reducción de sección transversal

hasta obtener barras laminadas que serán cortadas para producir partes más pequeñas

de sección cuadrada denominadas tochos (5).

Luego, los tochos se hacen pasar por trenes de laminación de perfiles, los

cuales no son más que un conjunto continuo o discontinuo (dependiendo del caso), de

cajas que poseen un determinado número de rodillos dispuestos, de tal forma, que

transforman dichos tochos primero en palanquillas y luego en barras o varillas

redondas (alambrones), cuyo diámetro varía de acuerdo a lo que se requiere (6). Los


alambrones pueden obtenerse también por un proceso de laminación en caliente a

partir de palanquillas obtenidas por un proceso de colada continua.

Más tarde, los alambrones son sometidos a un enfriamiento controlado

(patentado directo o proceso Stelmor) con el fin de alcanzar una microestructura de

matriz perlítica con muy poca cementita en los bordes de grano, para favorecer una

posterior deformación en frío (7).

Por último y después de la operación de patentado, el alambrón es sometido a

limpieza y recubrimiento, con el objeto, de eliminar todo tipo de trazas,

especialmente cascarillas o escamas de óxido que pueden ocasionar defectos

superficiales en el alambre obtenido después de un trefilado posterior y disminuir la

fricción externa del desgaste acelerado de las hileras empleadas para una deformación

en frío (estirado) ulterior, además de protegerlo contra la oxidación superficial.

La operación inicial de limpieza es convenientemente llevada a cabo por

inmersión del alambrón en ácido clorhídrico o sulfúrico; y en el último de los casos,

puede ser usado un pequeño calentamiento para promover la reacción. Esto es

seguido normalmente por un lavado con agua bien por inmersión o rociada a alta

presión o ambas formas (8).

El consiguiente proceso de recubrimiento consiste de un tratamiento más

sofisticado utilizando un revestimiento de fosfato, posiblemente en conjunto con un

segundo resguardo de bórax y cal (8). Después de ésto es deseable un material de

secado rápido antes de transferir el alambre al departamento de trefilado. Esto es


llevado a cabo, no solamente para asegurar un tapizado seco adecuadamente para el

proceso de estirado, si no también para ayudar en la remoción de cualquier fragilidad

por hidrógeno que pudiera ser introducido en la limpieza y procesos siguientes (8).

2.1.1.2 Proceso de trefilado y conformado del torón

Las varillas o alambrones se apuntan con máquinas de forja rotativa, y se pasa

esta punta delgada por la hilera y se le sujeta con la mordaza de la bobina de estirar,

esta última con una forma de armazón metálica llamada spider o araña. A

continuación se ajustan las variable que controlan el proceso de trefilado para

alcanzar el producto deseado y luego se pone a andar la máquina, la cual va pasando

el alambre a través de hileras sucesivas hasta alcanzar la reducción final en una

operación continua.

En la manufactura del alambre para el cableado del torón, éste es estirado y

posteriormente liberado de esfuerzo. El calor generado durante el trefilado puede ser

utilizado provechosamente para alcanzar fácilmente las propiedades deseadas; se

debe tener cuidado debido a que puede presentarse un fenómeno de envejecimiento,

que perjudique las características del alambre durante su conducción y/o manejo en la

fase de enderezamiento, más aún cuando una característica muy deseable en el

material acabado es el incremento en los valores de tensión y esfuerzo resistente (8).

Una vez obtenidos los alambres para la manufactura de los torones, se procede

a la operación de cableado o trenzado. Para ello existen dos tipos de procesos básicos,

los cuales se diferencian esencialmente en el tipo de máquina de trenzado usada, la


cual en algunos casos está controlada por el producto deseado. En general, el

cableado de los torones es producido en una máquina conocida como cableadora

tubular ó serpenteador mientras que los de 7 alambres o más, son producidos en las

máquinas tipo planetarias.

Cualquiera que sea el método de cableado, la primera operación es siempre el

devanado. El alambre es normalmente removido de una máquina de trefilado en

forma de rizo o serpentín y tienen que ser enrollado en bobinas apropiadas para su

inserción dentro de la cableadora. Para minimizar los restos o recortes es esencial que

estos rizos o serpentines sean coincidentes en longitud. El mejor de los métodos para

alcanzar este objetivo es por el pesado de los rizos, encontrándose que en el trenzado

de los torones, el alambre principal (núcleo) es más pesado con respecto a un alambre

exterior debido a que su diámetro es mayor.

La cuestión del igualamiento de los rizos se hace muy importante en términos

de las pérdidas por recorte, particularmente en el trenzado de cables de más de 7 hilos

donde los diferentes tipos de construcción de cableado y tamaños de alambre

involucrados pueden tener un efecto significativo en los pesos de los rizos requeridos.

Una vez que es producido un apropiado número de bobinas, ellas son cargadas

dentro de la máquina cableadora. Esta parte de la operación debe ser llevada a cabo

tan rápidamente como sea posible, ya que, el tiempo tomado para el cargado puede

presentar un considerable porcentaje del tiempo total de cableado de la máquina. Por

lo tanto, la atención debe estar siempre dirigida al decrecimiento del tiempo por

debajo del correspondiente al cableado hecho por la máquina, con el fin de mejorar la

eficiencia de la operación.


En el cableado de 7 alambres (torones), seis de ellos son hilados ó cerrados

helicoidalmente del que queda como alambre principal. Es práctica común insertar el

alambre principal delante de la posición de la horquilla o soporte de un trenzador

tubular. Utilizando esta posición para el alambre principal, es posible modelar

helicoidalmente los otros hacia la configuración del cable mientras se va manteniendo

el alambre principal ligeramente recto y libre de cualquier tendencia a doblarse,

retorcerse o alabearse. Para facilitar la operación de conformado, son colocadas

matrices partidas, de radio y perfil adecuado justo antes del punto de conformado

natural del cable. Estas matrices son generalmente fabricadas de hierro fundido o de

acero de herramienta endurecido y sirven para consolidar el cable hacia una

configuración final.

Después de que ha sido formado el torón, se pasa a través de dos grupos de

poleas post-conformadoras colocadas tanto en planos horizontales como verticales.

Normalmente, este grupo de poleas consisten de cinco poleas fijas y cuatro ajustables.

Es importante notar que el diámetro y espaciamiento de estas poleas son

extremadamente críticos para alcanzar satisfactoriamente la rectitud de la máquina.

2.1.2 Tratamiento del torón conformado

Posterior a la operación de cableado, el torón es sometido a un tratamiento

térmico. En materiales para ser usados en concreto pretensado los cambios resultantes

de un tratamiento térmico a baja temperatura (TTBT) pueden ser utilizados para

obtener una máxima ventaja, sobre todo si se quiere conseguir un producto con muy

buenas propiedades de relajación y además liberarlos de esfuerzo, claro está, siempre

y cuando tales tratamientos sean llevados a cabo como una operación final.


Las condiciones óptimas para la conducción de este tratamiento térmico han

sido comprobadas experimentalmente y en la literatura existente (8) están dadas todos

los detalles de la teoría y resultados de tales investigaciones. Se ha establecido

también que pueden ser producidas ventajas adicionales llevando a cabo este

tratamiento térmico a baja temperatura, mientras el torón se va manteniendo bajo

tensión constante. Dichas mejoras son: ligeros incrementos en los valores de esfuerzo

de fluencia y una considerable reducción en las pérdidas por relajación de esfuerzo,

particularmente si dicho tratamiento se realiza a temperaturas ligeramente elevadas

(es decir, hasta 150 ºC).

En la aplicación de un tratamiento térmico a baja temperatura para materiales

de pretensado hay dos métodos básicos de llevar a cabo la operación de liberación de

esfuerzos. Estos dependen sobretodo de si el proceso es conducido en ausencia de

esfuerzo o bajo condiciones de tensión aplicada. En el primer caso el proceso es

relativamente simple de ejecutar, pero, requiere de alimentación del torón

previamente enderezado en la máquina de cableado y en seguida pasado a través de la

etapa de tratamiento térmico para la liberación de esfuerzos.

Normalmente, son empleados hornos tubulares de 9 metros de longitud y con

quemadores de gas a una temperatura de 800 ºC y la rapidez del torón pasante a

través del mismo es tal que dicho torón alcanza aproximadamente 300 – 350 ºC por el

tiempo que dura hasta la salida del horno. No obstante, también han sido empleados

con considerable éxito baños de sales y plomo. Aunque, el tratamiento térmico es

llevado a cabo en una línea de operación a continuación del cableado, puede ser


usado el calentamiento por inducción para acomodar las inevitables fluctuaciones de

rapidez durante la aceleración y desaceleración de la máquina de cableado.

En el segundo caso, el proceso combina la liberación de esfuerzo

térmicamente con el enderezamiento, es decir un tratamiento térmico bajo tensión y

que comúnmente es conocido como estabilización. Para ello se emplea una pluralidad

de poleas que van aumentando de diámetro gradualmente, destinadas a aplicar

tensión, introduciendo por este medio un alargamiento constante. Otra variante de

este método es usar alternativamente medios de calentamiento (hornos de inducción o

baños de plomo) y aplicación de tensión, bien con poleas, engranajes diferenciales

entre dos cabestrantes remolcadores (elongación constante) ó cabestrante remolcador

de retrotracción (carga constante).

Posteriormente al tratamiento térmico, el torón es enrollado en carretes de

acero o madera fuerte, con diámetro interior suficientemente grande para asegurar

una rectitud razonable. El diámetro interior en ningún momento deberá ser menor de

600 mm. La masa nominal o longitud nominal de los rollos o bobinas así como las

tolerancias correspondientes se establecerán de acuerdo con lo requerido. El torón

será protegido contra daños mecánicos en el transporte. Cada carrete, rollo o empaque

tendrá una etiqueta fuerte sujeta en forma segura para mostrar la longitudes, el

tamaño, tipo designación ASTA A416 (4) y el nombre o marca del fabricante.


2.2 APLICACIONES EN LA INGENIERÍA

La función principal de los torones al ser empleados en la industria de la

construcción es la de aumentar la resistencia de los elementos estructurales de

concreto y reducir los consumos de cemento.

El concreto obtenido es llamado concreto pretensado y ofrece: grandes luces y

pocas alturas, reduce considerablemente el tiempo de construcción, apariencia

estéticamente satisfactoria, resistencia a la corrosión, mayor resistencia al fuego,

bajos costos, economía en peso muerto, no requiere mantenimiento

Los torones se usan básicamente en la industria de la construcción,

especialmente en la ejecución de obras con elementos estructurales pretensados y o

postensados tales como: losas, tubos pilotes de concreto pretensazo, entre otros.

En obras de vialidad a saber: puentes, viaductos, durmientes de ferrocarril etc.

En estructuras como estacionamientos, terminales de pasajeros, estadios,

escuelas, iglesias, silos, centros comerciales, tanques de agua, plantas industriales,

poderosas estaciones nucleares, etc.


2.2.1 El concreto

El concreto es un material estructural de construcción que se obtiene

mezclando cemento, un agregado mineral, y agua, en proporción adecuada, de tal

modo que se produzca una masa laborable y plástica que se pueda moldear en la

forma deseada.. A pesar de sus ventajas como material de construcción, el concreto

también tiene sus limitaciones y desventajas.

Estas consisten en su baja resistencia a la tensión, la cual es diez a quince

veces menor que la resistencia a la compresión, expansión, cambios de volumen con

la temperatura y permeabilidad. Estas deficiencias se pueden evitar o reducir en

forma considerable al utilizar concreto reforzado, preesforzado o aditivos especiales

(un polímero como el látex, un monómero fluido, etc.)

El concreto reforzado suele agrietarse en las zonas a tensión cuando es

sometido a fracciones relativamente pequeñas de la carga de trabajo. Para hacer un

mejor uso de los elementos estructurales, se ha diseñado el concreto presforzado, que

se fabrica al introducir un esfuerzo de compresión interno en una estructura.

La precompresión suele lograrse por dos métodos principales: pretensado y

postensado. En el pretensado, la fuerza de preesforzado se aplica mediante cables de

acero sumamente resistentes conocidos como tendones, cordones o torones, los cuales

se disponen de extremo a extremo entre dos anclajes fijos. Entonces, los cordones son

tensados hasta un determinado estado de esfuerzo, y se llenan los moldes con

concreto fresco. Después que el concreto se endurece, los cordones o torones se


liberan de sus anclajes y el concreto sufre compresión debido a que se contraen los

torones. Los esfuerzos de los torones se transfieren al concreto por medio de los

esfuerzos de enlace; sin embargo, el efecto total del presforzado se manifiesta y

observa sólo a ciertas distancias de los extremos de cada elemento, conocidas como

zonas de transmisión.

En el postensado, se colocan ductos metálicos o de caucho en la estructura y

el concreto se cuela alrededor de estos. Después que se ha endurecido el concreto, se

introducen los torones a través de las cavidades (en el caso de los cauchos, se

eliminan), y se tensa utilizando gatos especiales fijados contra los extremos del

elemento de concreto, que en sí mismo constituye un contrafuerte. Los vacíos entre

los cordones y los ductos de metal o caucho se llenan con una lechada (mezcla de

cemento y agua), para proteger contra la corrosión y controlar el agrietamiento en el

caso de una sobrecarga, e incrementar la resistencia del elemento al unir el tensor al

elemento, en toda su longitud.

Los torones de acero son los más utilizados para el preesforzado, estos deben

ser de acero de alta resistencia. Dichos aceros son sumamente elásticos, la

deformación elástica durante el esforzado es seis veces mayor o más que la del acero

dulce. Los torones suelen tensarse hasta un 70 por ciento de su resistencia a la rotura

durante la operación de preesforzado. El concreto utilizado para el preesforzado debe

ser de gran calidad, con resistencia a la compresión entre 6.000 y 8.000 psi.

El concreto preesforzado se utiliza ampliamente en carreteras y en puentes

para vías de ferrocarril, con empleo de unidades pretensadas precoladas para tramos

de hasta 15 m de longitud; en tramos más grandes se utilizan los postensados.


Muchos recipientes y tanques se han preesforzado al pasar torones alrededor de ellos,

con lo que se aplica una precompresión uniforme en las paredes del vaso. Los cables

que se localizan en el exterior de las paredes del tanque se revisten para su

protección. También se utiliza el preesforzado vertical en tuberías de concreto

preesforzadas.

2.3 RELAJACIÓN DE ESFUERZOS

La relajación de esfuerzos es el decrecimiento en esfuerzo con el tiempo de un

sólido sujeto a una deformación inicial y temperatura constante (9,10).

Figura 2.2 Relajación vs. Tiempo

Las propiedades de relajación de esfuerzo de un material pueden ser

determinadas principalmente a partir de ensayos de tensión a temperatura constante,

donde la longitud de la muestra es mantenida constante y se registra el decrecimiento


del esfuerzo con el tiempo. Aunque también podemos obtenerlas a partir de ensayos

de compresión, doblado y torsión (10), denominados por ende, ensayos de relajación

de esfuerzo.

Medrano y Gillis (13), Penna y Medrano (14) y Dotsenko (15) han expresado que

la técnica de relajación de esfuerzo ha contribuido a la comprensión de la relación

esfuerzo deformación durante el estudio de las propiedades mecánicas de los

materiales. Es decir, por medio de ella se pueden obtener parámetros fundamentales

que describen modos de micro deformación en metales los cuales permiten hacer un

análisis de los mecanismos de deformación plástica; dichos parámetros son: los

componentes del esfuerzo de fluencia (esfuerzo interno y efectivo), el volumen y la

entalpía de activación, los parámetros de las relaciones empíricas para la movilidad

de dislocaciones o mejor conocidos como exponentes de esfuerzo, velocidad de

dislocación.

Los ensayos de relajación de esfuerzos permiten predecir como se relajará el

esfuerzo en estructuras en la cual la longitud del componente es mantenida constante.

En concreto pretensado, es aplicada una tensión inicial a los cordones de acero,

produciendo en el agregado un estado de esfuerzos compresivos. Si el esfuerzo de

tensión en el acero se relaja con el tiempo, el concreto pretensado perderá sus

propiedades únicas. Es bien conocido que el agregado tiene una baja resistencia a la

tensión y que la función del acero es colocarlo bajo un estado de compresión (9).

El ensayo de relajación se rige bajo la norma ASTM E 328-86, la cual indica

que éste cubre la determinación del decrecimiento de la tensión a través del tiempo de

una muestra sometida a un esfuerzo de compresión uniaxial de larga duración. Para


realizar este ensayo se coloca la muestra en un dispositivo de alineación para luego

aplicarle una carga axial, después, se aplica la carga inicial de prueba sin choque y en

el instante en que esta es alcanzada, se considera como el tiempo cero; se mantiene la

tensión total constante dentro de los límites e inmediatamente que el tiempo

especificado ha transcurrido, se determinan los cambios de la carga o la tensión.

De lo anterior se desprende lo importante que es para la industria de la

construcción el uso de aceros de baja relajación, sobretodo en la fabricación de

elementos estructurales de concreto pre y postensado. Es la necesidad lo que condujo

al desarrollo de composiciones especiales y tratamientos térmicos. Una aplicación

práctica de este proceso es alambre o guaya estabilizada. Los esfuerzos en guayas

estabilizadas solamente son relajadas una quinta parte de lo que las guayas tratadas

convencionalmente. El proceso “estabilizante” consiste en el pretensado de guaya a

una temperatura ambiente (9).

Los torones de baja relajación cumplirán con los requisitos físicos descritos en

la norma ASTM E328-02 (15), para torones relevados de esfuerzos, además de que la

relajación, es decir, la pérdida de tensión después de mil (1 000) horas a una

temperatura de veinte más menos dos (20 ± 2) ºC, no será mayor de dos coma cinco

(2,5%) por ciento, cuando la carga inicial sea del setenta (70) por ciento de la carga

de ruptura mínima especificada del torón, o no mayor de tres coma cinco (3,5) por

ciento, cuando se cargue al ochenta (80) por ciento de la carga de ruptura mínima

especificada; mientras que el porcentaje para los torones de relajación normal debe

estar entre un tres coma cinco (3,5 %) y siente (7%) por ciento.


2.4 LA MICROESTRUCTURA

Para el acero 1080 el diagrama de fases Fe-Fe3 C contiene las siguientes fases

sólidas: Ferrita – α, Cementita (Fe3 C) y Austenita (γ). En el punto de la reacción

eutectoide, la austenita sólida produce la ferrita-α con 0,02 % C y Fe3C (cementita)

que contiene 6,67 % C, el resultado de estas dos fases recibe el nombre de perlita.

Esta reacción, que tiene lugar a 723°C, se puede escribir del siguiente modo:

Austenita (γ) (0,8 % C ferrita-α (0,02 % C) + Fe3C (6,67 % C)

Un acero ordinario al carbono que contiene un 0,8 % C se denomina acero

eutectoide, puesto que se forma una estructura completamente eutectoide de ferrita-

α y Fe3 C cuando se enfría lentamente la austenita de esta composición por debajo

de la temperatura eutectoide.

Figura 2.3 Transformación de un acero Eutectoide (1080) en condiciones de enfriamiento lento.

723 ºC


Pero el producto descrito de la reacción de la descomposición de la austenita

del acero eutectoide para condiciones de enfriamiento a una velocidad normal no es el

único ya que existen otros productos de reacción que dependen de la velocidad de

enfriamiento. La forma general de representación que incluye el factor tiempo son los

diagramas TTT: Temperatura-Tiempo-Transformación, también conocidos como

diagramas de transformación isotérmica. Entre los productos resultantes pueden estar:

° Perlita gruesa.- Se forma para enfriamientos suficientemente lentos, a

temp. próximas al eutectoide (727ºC), y se corresponde con la descrita

en el DF Fe-C, con una relación 8:1 entre las láminas de ferrita y

cementita.

° Perlita fina.- A medida de la transformación ocurre a temperaturas más

bajas, las láminas de la perlita se hacen más delgadas, pasando a

denominarse perlita fina para T_600-540ºC

° Bainita.- A temperaturas inferiores a 540ºC, la ferrita y cementita

aparecen en forma de agujas extremadamente finas, microestructura

conocida como bainita.

° Esferoidita.- Se forma cuando un acero con microestructura perlítica o

bainítica se calienta a temperatura inferior al eutectoide durante un

periodo de tiempo suficientemente largo (700ºC, 18-14h por ej.). La

cementita aparece como pequeñas partículas esféricas embebidas en una

matriz continua de ferrita α, que se forman para reducir la interfase Fe3

C-Fe.


° Martensita.-Se forma a bajas temperaturas (< 215ºC) resultado de una

transformación sin difusión de la austenita. En lugar de la migración por

difusión de los átomos de C para dar lugar a las fases Fe y Fe3 C, se

produce una reordenación colectiva de los átomos de Fe y C , pasando

de la estructura FCC de la austenita a una estructura tetragonal centrada

en el cuerpo (BCT), correspondiente a la martensita

Figura 2.4 Microestructura de: (a) Martensita, (b) Bainita, (c) Esferoidita y (d) Perlita

La fabricación de aceros perlíticos para ser usados en estructuras para

concreto pretensado es hecha con trefilado en frío que al hacer pasar en diversas

ocasiones produce fuertes deformaciones plásticas en el material (la tensión que

endurece el mecanismo), esto produce cambios importantes microestructurales (16).

Un cambio significativo en la microestructura de un material son las

dislocaciones ya que en éstas los átomos se desplazan unos respecto de otros de

c d

a b


manera que su coordinación puede ser totalmente distinta de la encontrada en el

cristal perfecto. Cuando se aplica un esfuerzo superior al límite elástico, las

dislocaciones comienzan a deslizarse. Finalmente, una dislocación moviéndose sobre

su plano de deslizamiento encontrará un obstáculo que sujeta los extremos de la línea

de dislocación. Si se continúa aplicando esfuerzo, la dislocación tratará de moverse

arqueándose por el centro, hasta formar un lazo y en el momento en que éste se toque

a sí mismo, se ha creado una dislocación nueva.

Al analizar la evolución de una colonia perlítica en un acero eutectoide sujeto

a repetidos trefilados en frío mediante metalografía cuantitativa, se observa que el

primer efecto es la progresiva orientación de la perlita con el eje longitudinal a

diferencia del transversal que se observa muy similar a la microestructura original.

Figura 2.5 Eje longitudinal (izq.), eje transverso (der.). Sin trefilado (arriba), después del trefilado

(abajo)


2.5 MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA

La potencia amplificadora de un microscopio óptico está limitada por la

longitud de onda de la luz visible. El microscopio electrónico utiliza electrones

para iluminar un objeto. Dado que los electrones tienen una longitud de onda

mucho menor que la de la luz pueden mostrar estructuras mucho más pequeñas.

La longitud de onda más corta de la luz visible es de alrededor de 4.000

Ángstrom. La longitud de onda de los electrones que se utilizan en los

microscopios electrónicos es de alrededor de 0,5 Ángstrom.

Todos los microscopios electrónicos cuentan con varios elementos

básicos. Consiste fundamentalmente de un cañón de electrones (su fuente de

iluminación), lentes condensadoras, lente objetiva, lentes intermedias y lente

proyectora. El cañón electrónico es la única lente electrostática que tiene el

microscopio electrónico; las demás son lentes electromagnéticas, las cuales

crean campos que dirigen y enfocan el haz de electrones, ya que los lentes

convencionales utilizados en los microscopios ópticos no funcionan con los

electrones. El sistema de vacío es una parte relevante del microscopio

electrónico, los electrones pueden ser desviados por las moléculas del aire, de

forma que tiene que hacerse un vacío casi total en el interior de un microscopio

de estas características. La ampliación de la imagen es llevada a cabo de las

siguiente manera (Figura 2.6): la imagen producida por la lente objetiva sirve

como objeto para la lente intermedia, la cual producirá una segunda imagen, que

a su vez es amplificada por la lente proyectora para producir la imagen final en

la pantalla o en una placa fotográfica.


Hay dos tipos básicos de microscopios electrónicos: el microscopio

electrónico de transmisión (Transmission Electron Microscope, TEM) y el

microscopio electrónico de barrido (Scanning Electron Microscope, SEM).

El sistema óptico-electrónico del microscopio electrónico de transmisión está

constituído por las siguientes partes:

1. Cañón de electrones

2. Sistema de lentes

3. Pantalla fluorescente

Figura 2.6 Comparación del proceso de imagen entre un microscopio óptico y un microscopio electrónico de transmisión


Estos componentes están ensamblados en una columna vertical la cual se

encuentra en alto vacío.

El cañón de electrones, es la fuente emisora del haz de electrones. Se

encuentra ubicado en la parte superior de la columna. Está constituido por un

filamento (cátodo), un cilindro con una apertura central, llamado cilindro de

Wehnelt que rodea al filamento y tiene un potencial ligeramente más negativo

que éste. El ánodo se encuentra por debajo del cilindro de Wehnelt.

El filamento es calentado por el pase de corriente (alrededor de 2800 K).

Los electrones emitidos termoiónicamente por el cátodo son acelerados hacia el

ánodo, pasan por la apertura circular central de éste y un haz de alta energía es

emitido hacia la columna del microscopio.

El sistema de lentes está formado por aperturas y lentes: condensadores,

objetivo, intermedia y proyectora. Las lentes condensadoras, en los microscopios

más modernos son dos. La primera, proyecta la imagen punto de

entrecruzamiento demagnificada (spot size), mientras que la segunda controla su

diámetro y el ángulo de convergencia en que incide sobre la muestra limita al

haz que incide sobre la muestra.

La lente objetivo forma la primera imagen, localizada debajo del

especímen. Es considerada el componente más importante del microscopio

electrónico. Cualquier defecto en ésta, será magnificado y transmitido al resto

del sistema óptico. Por lo tanto, de ella dependen, en gran medida, la resolución

final y la corrección de las aberraciones.


Las lentes intermedia y proyectora son las encargadas de amplificar la

imagen dada por la lente objetivo y proyectarla sobre la pantalla fluorescente.

El MET cuenta con tres aperturas, las cuales realizan distintas funciones

(figura 2.6). La apertura condensadora nos permite obtener un haz electrónico

más homogéneo, puesto que al no permitir el paso de los electrones que se han

desviado bastante del eje óptico, reduce en gran medida la aberración cromática.

La apertura colocada después de la lente objetiva es utilizada para permitir el

paso de un solo haz, del conjunto de haces difractados, y el haz transmitido. La

apertura localizada en el plano imagen de la lente objetiva se conoce como

apertura de área selecta, como su nombre lo indica, nos permite seleccionar con

alta precisión el área de donde proviene el patrón de difracción; es de bastante

utilidad en el análisis de muestras con varias fases.

La pantalla del microscopio electrónico de transmisión está recubierta

por una pintura de fluoruros de Zn y Cd, que fluoresce cuando es bombardeada

por electrones, generando una imagen en el rango de las longitudes de onda del

visible.

Mediante el microscopio electrónico de transmisión podemos estudiar la

microestructura de un material orgánico o inorgánico. Para esto, existen

diferentes formas de operación que posibilitan el estudio de una característica en

particular.

El MET permite la observación de muestra en cortes ultrafinos. Cuando

un microscopio electrónico dirige el haz de electrones hacia el objeto que se


desea observar, estos interaccionan con las muestra y se producen varios tipos de

señales las cuales nos permiten hacer la caracterización estructural de ésta. Estas

señales son: electrones retrodispersados, secundarios, absorbidos, Auger,

transmitidos y rayos X. La figura 2.7 muestra esquemáticamente la interacción

haz electrónico-muestra y las señales que se originan.

Figura 2.7. Tipos de señales que se producen durante la interaccion del haz electrónico

con la muestra.

Entre los electrones que atraviesan la muestra los podemos clasificar en

dos tipos: transmitidos, es decir aquellos que pasan la muestra sin ser desviados

de su dirección incidente; y difractados, que son aquellos que si son desviados

de su dirección de incidencia. Los haces transmitidos y difractados son los que

usa la lente objetiva para formar la imagen de la muestra en un microscopio

electrónico de transmisión. Como ellos pasan a través de la muestra, portan

información sobre las características estructurales de esta.


Si en lugar de enfocar el plano-imagen de la lente objetiva para observar

la imagen de la muestra, enfocamos el plano focal de ésta, lo que se observa es

un arreglo de puntos luminosos que no son más que el arreglo de los haces

difractados trasmitidos (figura 2.6 y 2.8). Este arreglo recibe el nombre de patrón

de difracción y como un ejemplo de este es mostrado en la figura 2.9.

Figura 2.8 Trayectoria

seguida por los electrones

para formar una imagen (i)

y un patrón de difracción

(ii)

Figura 2.9. Patrón de

difracción electrónico. Nótese

la alta simetría que presenta

con respecto al haz más

intenso (el haz transmitido)


Como se puede observar en la figura, el patrón de difracción presenta un

punto muy intenso (el haz transmitido) rodeado de varios puntos (los haces

difractados), presentando un arreglo geométrico (en este caso cuadriculado), el

cual es característico de la muestra. Por lo tanto, el análisis del patrón de

difracción nos permitirá hacer un estudio de la estructura atómica de la muestra.

De hecho, los patrones de difracción son la huella digital de ésta.

Debido a la apertura colocada después de la lente objetiva la imagen

tendrá diferentes contrastes. Si la imagen es producida dejando pasar solo el haz

transmitido, se dice que se observa una imagen de campo claro. El contraste de

este tipo de imágenes es producido por diferencias de intensidades, ya que, se

han excluido los haces difractados: las regiones en las cuales se producen los

haces difractados se observarán oscuras en una imagen de campo claro. Por otro

lado, si la imagen es formada dejando pasar uno de lo haces difractados se

produce una imagen de campo oscuro. En este tipo de imágenes solo la región de

donde proviene el haz difractado seleccionado se mostrará brillante; el resto de

la imagen será oscura y de ahí su nombre. Considerando que la intensidad que

incide sobre la muestra debe ser igual a la suma de las intensidades de los haces

transmitidos y difractados entre potros, es de esperar que la intensidad de la

imagen de campo oscuro disminuya considerablemente. Esto representa un

mayor tiempo de exposición al momento de fotografiarlas, la necesidad de una

mayor estabilidad de la imagen y la eliminación de fuentes de vibración.

Los patrones difracción, que constan de un arreglo de puntos luminosos,

son típicos de monocristales. Esto significa que solo un cristal difracta el haz. Si

el haz electrónico es bastante ancho o la muestra está formado por varios

cristales pequeños orientados aleatoriamente, es decir una muestra policristalina,


el patrón de difracción estará formado por anillos concéntricos (figura 2.10),

cuyos diámetros corresponden a los espacios existentes entre los planos

atomicos del cristal.

Figura 2.10 Patrón de difracción de anilos proveniente de una muestra policristalina

Un patrón de difracción contiene básicamente dos tipos de información:

1. El arreglo espacial, definido en función de la simetría que

presenta el patrón, de los valores de las distancias que existen

entre los puntos de difracción y el punto central, y los ángulos

que se forman entre las líneas que van del centro a cada uno de

los puntos.

2. Las cristalografía, a partir de un conjunto de patrones de

difracción obtenido en diferentes orientaciones de la muestra y las

intensidades de los puntos de éstos. Así, al hacer una


comparación entre las intensidades de diferentes puntos

difractados, y los diferentes patrones de difracción, es posible

obtener el tipo de la celda unitaria que presenta el cristal en

estudio.

Luego de que se obtiene este tipo de información, ésta se analiza mediante

un método conocido como indexación. La obtención de un patrón de difracción

en un microscopio electrónico en primera observación es como se muestra en la

figura 2.11

Figura 2.11. Representación esquemática de los parámetros involucrados en la deducción de la

constante de cámara.


Aquí R es la distancia entre el haz más intenso del patrón, es decir el haz

transmitido, y un punto de difracción. De la figura 2.11 tenemos:

Tang2θ = R/L .………………………. Ecuación 1

Puesto que la ley de Bragg, con n= 1 y para ángulos pequeños, es 2θd= λ, y en

este caso Tang2θ=2θ

Rd=λL…………………………….Ecuación 2

Esta ecuación relaciona las distancias interplanares “d” en el cristal con

distancias “R” en el patrón de difracción. La cantidad λL es llamada “constante

de cámara” la cual es fácil de calcular puesto que L es generalmente dada por el

instrumento. Al conocer el voltaje de aceleración λ, queda fija. Por lo tanto,

podemos obtener una lista de distancias interplanares del cristal y comparar sus

valores con tablas de distancias para diferenetes cristales y encontrar el tipo de

cristal que se trata.

Las muestras para que puedan ser observadas en un microscopio

electrónico de transmisión deben ser lo suficientemente delgadas en la dirección

de movimiento del haz electrónico para ser “transparentes” a los electrones. Las

muestras son transparentes a los electrones cuando tienen un espesor de orden de

50 a 100 nanómetros. Para correlacionar las propiedades de las muestras

volumétricas con las muestras que pueden observarse en el microscopio, es

necesario llevarlas hasta estos espesores sin modificar o destruir su estructura.


Para esto es necesario implementar técnicas adecuadas compuestas por

diferentes etapas o fases: corte, adelgazamiento con lijas, pulido y electropulido.

El corte puede realizarse con seguetas, cortadora de sierra o disco

abrasivo, teniendo la precaución de evitar el calentamiento que puede ocasionar

alteraciones estructurales de la muestra. Aunque el corte por sierra produce

severas condiciones de trabajo en frío, no es ventajoso; ya que éste ocasiona

superficies irregulares con valles excesivamente altos, dando como efecto más

tiempo de aplicación de las técnicas de preparación de las muestras. A diferencia

del anterior en el corte por disco abrasivo la superficie resultante es suave, y el

corte se realiza rápidamente. Los discos para los cortes abrasivos, están

formados por granos abrasivos (tales como óxido de aluminio o carburo de

silicio), aglutinados con goma u otros materiales. Los discos con aglutinantes de

goma son los más usados para corte húmedo; los de resina son para corte en

seco.

El adelgazamiento con lijas se divide en 3 fases: Desbaste grosero,

Desbaste intermedio y Desbaste final. Cada etapa de preparación de probetas

metalográficas debe realizarse muy cuidadosamente para obtener al final una

superficie exenta de rayas.

1. Desbaste Grosero: Es el desbaste inicial, que tiene como objetivo planear la

probeta, lo cual puede hacerse a mano y aun mejor con ayuda de una lijadora

de banda. El papel de lija utilizado es de carburo de silicio con granos de 80 y

120. En cualquier caso, la presión de la probeta sobre la lija o papel de esmeril

debe ser suave, para evitar la distorsión y rayado excesivo del metal.


2. Desbaste Intermedio: Se realiza apoyando la probeta sobre el papel de lija o

de esmeril, colocado sobre una mesa plana o esmeriladora de banda fija. En

esta fase se utilizan los papeles de lija No. 240, 320 y 400.

3. Desbaste Final: Se realiza de la misma forma que los anteriores, con papel de

lija No. 600, 1200 y hasta 1500. En todo caso, en cada fase del desbaste debe

tomarse siempre en cuenta el sistema refrigerante.

Se avanza y se facilita mucho las operaciones descritas utilizando una

pulidora de discos, a las que se fija los papeles de lija adecuado en cada fase de

la operación. Las velocidades empleadas varían de 150 a 250 rpm. En otro caso

se pueden utilizar desbastadoras fijas o de bandas giratorias.

El pulido se realiza en dos etapas generales, pulido fino y electropulido.

1. Pulido Fino: La última aproximación a una superficie plana libre de ralladuras

se obtiene mediante una rueda giratoria húmeda cubierta con un paño cargado

con partículas abrasivas seleccionadas en su tamaño (1; 0,5; 0,3; 0,05; 0,03

micras). En éste sentido, existen muchos abrasivos, prefiriendo a gamma del

oxido de aluminio para pulir metales ferrosos, los basados en cobre u óxido de

cerio para pulir aluminio, magnesio y sus aleaciones. La selección del paño

para pulir depende del material que se va a pulir y el propósito del estudio

metalográfico.

2. Electropulido: El electropulido es un tratamiento superficial en el cual la

muestra es colocada en el ánodo de una celda electrolítica, de tal forma que el

material es removido cuando se aplica una corriente (figura 2.12). El

problema que se presenta es que la velocidad de remoción del material es más

rapido donde es alta la densidad de lineas de campo eléctrico, por ejemplo en

las orillas de la muestra. Por lo tanto, para logra un removimiento uniforme


del material, la densidad de corriente en todos los puntos de ésta, debe ser la

misma.

Figura 2.12. Tres Posibles fuentes de poder para el método de electropulido. V = voltímetro.

La decisión de en qué momento se debe parar el proceso de elctropulido se

conoce usualmente con la experiencia de este método, ya que es difícil medir

un espesor de 20 a 200 nm. El criterio usualmente empleado es detener el

proceso cuando aparece un pequeño orificio en el centro de la muestra. Tan

pronto como éste orificio es hecho en la muestra, aparece un ataque

preferencial debido a las concentraciones de las líneas de campo que ocurren

en los bordes del orificio y lo cual remueve rápidamente las zonas delgadas,

por lo que éste es el momento en el que la corriente debe ser cortada. Existe


una gran gama de electrolitos utilizados para este proceso, estos deben ser

escogidos según el material que se quiere electropulir, la mezcla del ácido

acético con el ácido perclórico es la más común para atacar aceros perlíticos.

Para establecer las condiciones del electropulido es necesario obtener la

relación corriente-voltaje para el electrolito empleado y la muestra que se

desea pulir.


CAPITULO III “Marco Metodológico”


3.1. NIVEL DE LA INVESTIGACIÓN

El presente Trabajo Especial de Grado constituye una investigación confinada

de tipo exploratoria-descriptiva, ya que se efectúa en base a un tema poco estudiado

para cualquier estudiante de la escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de

Carabobo, y a la vez con el fin de caracterizar la microestructura del acero 1080; para

la misma propiedad mecánica a dos distintos niveles, relajación baja y relajación

normal.

3.2. DISEÑO DE LA INVESTIGACION

Se crearon 20 probetas del acero 1080 con relajación baja y 20 probetas para el

acero con relajación normal, siendo un total de 40 probetas preparadas.



3.2.1. Preparación de “Foils”

La técnica para crear un foil por pulido electrolítico, requiere como producto

inicial una lámina de metal de 50 a 10 micras de espesor.

° Corte: El núcleo del torón de 4.25 mm de diámetro, fue cortado con un

disco abrasivo, para lograr un espesor de 2 mm.

Figura 3.2. Corte de la probeta con disco abrasivo

° Adelgazamiento con lijas: El disco se llevó minuciosamente hasta un

espesor entre 10 y 50 micras aproximadamente, cuidando siempre que

ambos lados sean absolutamente planos y paralelos. Para ellos el disco

se fijó con pegamento en el dispositivo de agarre y se procedió a lijar

desde lija Nº 240 hasta la Nº 1500, pasando por 320, 360, 400, 600 y

1200, girando 90º la probeta cada vez que se realizó un cambio de lija,


de esta forma se fue eliminando la orientación de las rayas y se logró

una superficie pulida y lisa. Este proceso se realizó por ambas caras del

disco (figura 3.4), para así obtener una muestra de la zona central de la

probeta evitando así que existieran deformaciones provenientes del

corte.

Figura 3.3. A. Fijación de la probeta y el dispositivo de agarre. B. Lijado de la probeta en el disco de

pulido.

Figura 3.4. Obtención del foil


° Pulido: Se pulió cada una de las probetas con dos paños de pulido;

utilizándose como elemento abrasivo alúmina de distintos tamaños

de grano (1 micra y 0.5 micras). El pulido se realizó siguiendo el mismo

método que el adelgazamiento por lijas, por ambos lados, girando 90º la

probeta al cambiar de paño y verificando en el microscopio óptico que

todas las rayas lleven la misma orientación; obteniéndose caras exentas

de rayas y un excelente acabado superficial.

Figura 3.5. A. Paño en el disco de pulido. B. Pulido de probeta.

C. Observación del microscopio.

° Electropulido: Con la máquina de electropulido STRUERS modelo

TENUPOL-3, ubicada en el Instituto Venezolano de Investigaciones

Científicas (IVIC), se realizó el método de pulido Jet con un electrolito a

base de ácido acético; el ataque se llevó a cabo con las siguientes

condiciones:


Tabla 3.1. Condiciones del electrolito utilizado

*Variable dada por la máquina en una escala propia y adimensional de 0-10.

** La máquina indica mediante un pito que ya el orificio se obtuvo y se detiene, este tiempo depende directamente

del espesor de la muestra.

Luego de realizar el electropulido y obtener los foils, éstos fueron guardados

cuidadosamente en una cámara de vacío ubicada en el Instituto Venezolano

de Investigaciones Científicas (IVIC), para evitar la contaminación y

corrosión de las muestras, en espera de la sesión de microscopía electrónica

de transmisión (MET).

Electrolito HClO4(ácido perclórico) + CH3COOH(ácido acético)

Temperatura del electrolito 13 ºC

Voltaje 15 V

Amperaje 0.05 A

Fotosensibilidad* 7

Caudal* 5

Tiempo** Hasta que la máquina se detuvo automáticamente.


Figura 3.6. A. Panel de condiciones. B. Colocación de probetas para ejecución de

electropulido. C. Vertimiento del electrolito.

3.2.2. Microscopía Electrónica de Transmisión

Con el microscopio electrónico de transmisión ubicado en el Instituto

Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC), se observaron dos foils,

correspondiendo cada uno a una propiedad de relajación distinta (baja relación

y relajación normal); obteniendo así patrones de difracción de la matriz con

una constante de cámara de 16,1 y 27 para los aceros de relajación baja y

normal respectivamente y mediante diferentes grados de ampliación (8900 X

y 28500 X) en distintas zonas de la muestra, se obtuvieron las fotografías de la

microestrutura en campo claro.

3.2.3. Medición de Fotografía

Con la ayuda de una lupa especial que posee una escala milimétrica y

sobre una mesa de acrílico con una lámpara de luz blanca incorporada

ubicadas ambas en el Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas

(IVIC), se procedió a medir:


A. Directamente sobre el negativo, para evitar errores apreciativos de

escala, los diámetros de los anillos resultantes del patrón de

difracción.

B. Sobre todas las fotografías con mayor factor de ampliación se

tomaron 10 medidas de las láminas de cementita y el mismo

número para las laminillas de ferrita, con el fin de obtener un

promedio de espesor de láminas para ambas condiciones de

relajación.

3.3 MATERIAL UTILIZADO

En este proyecto de grado el material a utilizar es acero al carbono perlítico

1080 en forma de alambre, proveniente del hilo central de un torón 270K empleado

para concreto presentado presentado en muestras de 2 mm de espesor por 4,25 mm de

diámetro; cuyas propiedades iniciales se presentan a continuación:

Microscopía Óptica:

Figura 3.7 Microscopía óptica de acero 1080 A. de baja relajación B. de relajación normal


Microscopía de Barrido:

Figura 3.8 Microscopía electrónica de barrido de acero 1080 de A. de baja relajación B. de relajación

normal

Figura 3.9 Microscopía electrónica de barrido de acero 1080 de A. de baja relajación B. de relajación

normal


Composición química:

Tabla 3.2 Composición química del acero 1080 para de baja relajación y relajación normal

Propiedades Mecánicas:

Acero 1080 Relajación baja

Relajación normal

Alargamiento (%)

3.5 3.7

Carga 1 % (kN)

168.6 162.56

Carga Rotura (kN)

187.34 182.47

Tabla 3.3 Propiedades mecánicas del acero 1080

Acero 1080

Relajación baja

Relajación normal

%S 0.01 0.006

%C 0.87 0.85

%Mn 0.74 0.79

%P 0.012 0.011

%Si 0.23 0.28

%Al 0.002 0.002


Ensayo de relajación:

Figura 3.10. Ensayo de relajación para un acero 1080 de baja relajación y relajación normal

3.4 MATERIALES Y EQUIPOS

• Microscopio óptico (IVIC)

Figura 3.11. Microscopio óptico

920

930

940

950

960

970

980

0 100000 200000 300000 400000

Tiempo (s)

Esfu

erzo

(MPa

) SA70RTV1

SA70RTV2

SA70RTV3

SA70RTB1

SA70RTB2

SA70RTB3

R. Normal

R. Normal

R. Normal

R. Baja

R. Baja

R. Baja


• Materiales para adelgazamiento con lijas: lijas (desde N° 80 hasta N°

1500), tijera, papel, lápiz, calculadora, vernier, tornillo micrométrico,

dispositivo de agarre, pegamento.

Figura 3.12 Materiales para el adelgazamiento con lijas

• Materiales para el pulido: destornillador, agua destilada, jabón líquido,

papel absorbente, alúmina (1 micra y 0.5 micras), paños de pulido (2,

uno para cada tipo de alúmina), pizetas.

Figura 3.13 Materiales para pulido


• Materiales para realizar el cambio de lado de las probetas: acetona,

algodón, hojilla, vaso de precipitado, hisopos, pinza

Figura 3.14 Materiales para el cambio de lado de la muestra

• Banco de pulido

Figura 3.15 Banco de pulido


• Troquel

Figura 3.16 Troquel

• Máquina de electropulido marca STRUERS, modelo TENUPOL-3

Figura 3.17 Máquina de electropulido


• Nitrógeno líquido

Figura 3.18 Nitrógeno líquido

• Lupa especial con escala milimétrica

Figura 3.19. Lupa con escala


• Microscopio electrónico de transmisión marca PHILLIPS modelo MC-110.

Figura 3.20 Microscopio Electrónico de Transmisión


CAPITULO IV “Resultados Experimentales”


4.1 FOTOGRAFÍAS DE LA MICROESTRUCTURA EN CAMPO CLARO.

Figura 4.1 Micrografía en campo claro de un acero 1080 con propiedad de relajación normal a 11570X

Figura 4.2 Micrografía en campo claro de un acero 1080 con propiedad de relajación baja a 11570X









Figura 4.8Micrografía en campo claro de un acero 1080 con propiedad de relajación normal a 85500X.



4.2 PROMEDIO DE LAS MEDIDAS DE LAS LÁMINAS DE FERRITA Y CEMENTITA PARA LAS FOTOGRAFÍAS 4.5, 4.6,

4.7, 4.8 y 4.9.

FOTOGRAFÍA 4.5 Ferrita (nm)

Cementita m (nm)

46,78 70,18 29,24 64,33 93,57 23,39 93,57 17,54 52,63 58,48 52,63 35,09 40,94 23,39 58,48 23,39 81,87 17,54 81,87 11,70 35,09 29,24

Promedio 60,61 34,02 Tabla 4.1 Promedio de espesores de las láminas de ferita y cementita para la fotografía #4.5

Tabla 4.2 Promedio de espesores de las láminas de ferita y cementita para la fotografía #4.6


Cementita (nm)

29,24 46,78 40,94 35,09 46,78 46,78 14,04 46,78 35,09 35,09 35,09 35,09 26,90 23,39 23,39 40,94 46,78 23,39 29,24 35,09 29,24 46,78

Promedio 32,43 37,75



Cementita (nm)

35,09 46,78 46,78 64,33 46,78 29,24 28,07 46,78 52,63 35,09 35,09 46,78 81,87 35,09 87,72 40,94 52,63 35,09 70,18 35,09 52,63 40,94




Cementita (nm)

46,78 29,24 52,63 30,41 29,24 31,58 40,94 28,07 40,94 28,07 29,24 29,24 58,48 23,39 38,60 29,24 46,78 23,39 46,78 35,09 46,78 23,39





Cementita (nm)

35,09 35,09 35,09 46,78 35,09 17,54 11,70 46,78 17,54 58,48 29,24 35,09 17,54 23,39 52,63 46,78 11,70 35,09 5,85 35,09

11,70 58,48 Promedio 23,92 39,87


Promedio

Tabla 4.6 Promedio de espesores de las láminas de ferita y cementita para la fotografías 4.6 y 4.9

Tabla 4.7 Promedio de espesores de las láminas de ferita y cementita para la fotografías 4.5,4.7 y 4.8

Relajacion Baja Ferrita (nm)

Cementita (nm)

32,43 37,75 23,92 39,87

28,18±6,01 38,81±1.5

Relajacion Baja Ferrita (nm)

Cementita (nm)

60,61 34,42 53,59 41,47 43,38 28,28

52,53±8,61 34,59±6,61


4.3 PATRONES DE DIFRACCION DE ELECTRONES

Figura 4.10 Patrón de difracción de electrones para muestra de acero 1080 con relajación baja y longitud de cámara 16,1.

Figura 4.11 Patrón de difracción de electrones para muestra de acero 1080 con relajación normal y longitud de cámara 27.


4.4 MEDICIÓN DE LAS DISTANCIAS ENTRE LOS ANILLOS

Tabla 4.8. Distancia entre anillos y distancias interplanares para el

acero 1080 A. de relajación baja, B. de relajación normal.

A B

Ejemplo de cálculo para la tabla A (primer anillo):

Según la ecuación 2: Rd=λL ;

con λL = 16,1 y R = 7, 65 mm d = 2,10 Å

Ejemplo de cálculo para la tabla B (primer anillo):

Según la ecuación 2: Rd=λL ;

Distancia entre

anillos (mm.)

d ( Å )

7,65 2,10 7,8 2,06 7,9 2,04 7,9 2,04 8,05 2,00 8,45 1,91 8,55 1,88 11 1,46

11,15 1,44 11,15 1,44 11,24 1,43 11,39 1,41 11,49 1,40 13,19 1,22 13,29 1,21 13,39 1,20 13,59 1,18 13,59 1,18 13,75 1,17

Distancia entre

anillos (mm.)

d ( Å )

12,86 2,10 13,04 2,07 13,24 2,04 13,24 2,04 13,57 1,99 14,14 1,91 14,36 1,88 18,49 1,46 18,75 1,44 18,75 1,44 18,88 1,43 19,15 1,41 19,39 1,4 22,13 1,22 22,31 1,21 22,50 1,20 22,88 1,18 22,88 1,18 23,08 1,17


con λL = 27 y R = 12,86 mm d = 2,10 Å

Comparando la tabla 4.6 con el apéndice I y II se obtiene:

*Ferrita: Verde.

Cementita: Blanco y Azul

Tabla 4.9 Comparación de las distancias interplanares de los aceros 1080 de relajación baja y normal con las matrices de ferrita y cementita

d ( Å ) Acero1080 relajación

baja

d ( Å ) Acero1080 relajación

normal

d ( Å ) Ferrita* y cementita

Int.

2,10 2,10 2,1002 543 2,06 2,07 2,0630 515 2,04 2,04 2,0300 100 2,04 2,04 2,0247 495 2,00 1,99 2,0091 999 1,91 1,91 1,9724 476 1,88 1,88 1,8752 22 1,46 1,46 1,4693 1 1,44 1,44 1,4433 1 1,44 1,44 1,4400 50 1,43 1,43 1,4323 4 1,41 1,41 1,4112 18 1,40 1,40 1,4018 32 1,22 1,22 1,2203 105 1,21 1,21 1,2138 132 1,20 1,20 1,2007 19 1,18 1,18 1,1888 54 1,18 1,18 1,1861 36 1,17 1,17 1,1700 80


CAPITULO V “Análisis de Resultados”


Análisis de microscopía electrónica de transmisión (MET).

Al observar las distintas fotografías realizadas mediante el microscopio

electrónico de transmisión se pudo notar la presencia de las laminillas de ferrita y

cementita en diferentes grosores y direcciones. Las orientaciones preferenciales que

presentaron éstas láminas se dan a causa del trefilado a que fueron sometidos los

componentes del torón en el proceso de fabricación; en este proceso se produce lo

que se denomina una textura fibrosa, que es característica de aquellos metales que

han sufrido una gran deformación, en este caso, los alambres en cuestión han

experimentado una reducción del 62% (de 11 mm. a 4.25 mm.) de su sección

transversal.

En la fotografías de menor aumento (Figura 4.1 y Figura 4.2) se pudo apreciar

la diferencia en cuanto a la concentración de laminillas de la matriz, siendo la muestra

de relajación normal menos densa que la de baja relajación, ya que en la primera se

logró observar que los espacios interlaminares de perlita son mucho mayores.

También, se apreció claramente que en la muestra de relajación normal las placas de

cementita son más cortas, esto se debe a que estas láminas a la hora de tomar la

orientación preferencial que asumen durante el trefilado, en dirección a la

deformación máxima, no lograron agruparse con las laminillas que tenían en sus

adyacencias de manera que tomaron la forma allí observada, mientras que en la otra

muestra se apreció como estas laminillas lograron agruparse y formar láminas de

cementita más largas.

En la Figura 4.5 se pudo observar los cambios de direcciones y las pequeñas


longitudes de las láminas de cementita en la parte superior, además de grandes zonas

claras que se distribuyen a lo largo de toda la figura; a diferencia de ésta, en la figura

4.6 se observaron largas láminas de cementita y ferrita que se encuentran agrupadas

de una forma más homogénea.

En el grupo de fotografías con mayor aumento (Figura 4.7, 4.8 y 4.9), se pudo

apreciar que existe una gran diferencia entre los espesores, tanto en las láminas de

ferrita, como en las de cementita; se puede observar en la tablas 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 y

4.5, que las láminas de ferrita del acero de relajación normal son casi el doble que las

de relajación baja, aunque para las laminillas de cementita se encontró una diferencia

menor, es importante recalcar que el acero de relajación baja cuenta con más espesor

en las láminas de cementita que en el de relajación normal.

De la muestra del acero de relajación normal, se encontró en las figuras 4.7 y

4.8 la presencia de dislocaciones, éstas son debido a los esfuerzos a que fue sometido

el alambre durante el proceso de trefilado; aunque éstas no se hagan visibles en las

fotografías del acero de baja relajación, no significa que en esa muestran no existan,

puesto que vale la pena recordar que éstas fotos poseen un factor de ampliación

importante, lo pudo haber implicado que las dislocaciones no hayan sido incluidas en

la zona captada.

Los límites de grano observados en las distintas fotomicrografías son debido a

que durante el proceso de conformación del torón, los granos se desplazan y al mismo

tiempo se alargan haciendo que ciertas direcciones y planos metalográficos queden

alineados; en consecuencia se desarrollan orientaciones, lo que conlleva a que cuando

granos que no llevan la misma dirección se encuentran, se produzca el límite de

grano.


Análisis de Patrones de difracción.

El acero utilizado para la conformación de los torones corresponde a un

material policristalino y como ya se mencionó con anterioridad, presentan en su

microestructura una matriz perlítica.

Como es de saber, en esta investigación se trató con muestras de acero 1080

con dos distintas condiciones en cuanto a su propiedad de relajación, siendo una de

ellas de relajación normal y la otra de baja relajación según la norma ASTM (*). A

cada una de ellas se le aplicó un patrón de difracción, y se obtuvo que en ambos casos

las distancias entre los anillos resultantes fueron iguales, debido, a que los dos tienen

la misma microestructura de matriz perlítica. Con estos anillos se pudo analizar cómo

se presentan las dos fases resultantes de una matriz perlítica.

Cada anillo en un patrón de difracción posee una intensidad distinta, siendo

los de mayor intensidad los más importantes de encontrar a la hora de obtener las

distancias entre cada uno de ellos, ya que estos son los indicadores principales de

cualquier fase que se haga presente.

Al observar las muestra en el microscopio electrónico de transmisión

mediante imágenes en campo claro, se observó que no existían ningún tipo de

precipitados.


CAPITULO VI “Conclusiones y Recomendaciones”


CONCLUSIONES

Se caracterizó cada una de las muestras estudiadas para cada propiedad de

relajación distinta, y se obtuvo en ambos casos una microestructura de matriz

perlítica, presentando sus dos fases principales como lo son la ferrita y la cementita.

Se determinó las condiciones del electrolito utilizado para atacar muestras de

acero perlítico, la cuales resultaron ser para el electrolito HClO4 (Ácido perclórico) +

CH3COOH (Ácido Acético), una temperatura de 13 °C, un voltaje de 15 V y 0.05 A

de amperaje.

Se comparó las fotografías obtenidas de la microscopía electrónica de

transmisión (MET), obteniendo diferencias tanto en la forma en que las láminas de

perlita se distribuían por toda la matriz, como en los espesores de éstas, teniendo para

los aceros de baja relajación una distribución más uniforme y mayor espesor en las

laminillas de cementita que de ferrita, mientras que en los aceros de relajación normal

cuentan con una distribución desordenada a lo largo de la matriz, y contiene mayores

espesores de láminas de ferrita que de cementita.

Se obtuvo para los distintos comportamientos de relajación, una

microestructura de matriz perlítica sin ningún tipo de precipitado, pero con

diferencias entre ellas, sin embargo no es posible establecer límites en cuanto al

espesor de las laminillas de ferrita y cementita, como para referirse de manera precisa


si se trata de un acero de baja relajación o de uno relajación normal; dichas

diferencias es posible que se puedan obtener mediante algún tratamiento

termomecánico, los cuales crean cambios en los esfuerzos residuales quienes a su vez

generan cambios en los comportamientos de la relajación; aunque cabe destacar que

no existe ninguna referencia en la cual se atribuya algún cambio en la microestructura

a la modificación de los esfuerzos residuales.


RECOMENDACIONES

De los resultados obtenidos y los análisis de estos en el presente trabajo de grado, se

desprenden las siguientes recomendaciones:

• Hacer investigaciones mediante las cuales se puedan obtener tratamientos

térmicos, que lleven la perlita a láminas delgadas y a una distribución

uniforme de su matriz para obtener mejores propiedades en cuanto a la

relajación.

• Trabajar con sumo cuidado, paciencia y haciendo énfasis en cada uno de

los pasos que se deben llevar a cabo, para la preparación de las muestras

destinadas al estudio mediante la microscopía electrónica de transmisión

(MET), con el fin de obtener resultados satisfactorios.

• Realizar un trabajo donde se alteren los perfiles de esfuerzos residuales,

mediante tratamientos termomecánicos y verificar la correlación que

existe con la microestructura obtenida en MET.


REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

(1) ASTM Internacional. Standards Worldwide.

Disponible en: www.astm.org

(2) R. Urbaéz, F. Toledo, G. Castro Farinas and E.S. Puchi Cabrera (2000)

“Comportamiento de relajación de los componentes del acero perlítico en

alambres estirados”

(3) Secretariado de Instrumentación Científica y Apoyo a la Investigación.

Disponible en: http://www.ua.es/es/investigacion/sti/tem.htm

(4) Norma ASTM A 416, Comitee A-1, Subcomitee A01-05,., p. 1.,1974

(5) A Malishev, G.Nikolaiev y Yu. Shuvalov, Tecnología los metales, 6ta edición,

editorial MIR, Moscú, p.p 262 (1983)

(6) Dieter, George., Metalurgia Mecánica, Aguilar, Madrid, p.p 568-570 (1967)

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